研究發光二極管（LED）器件調制特性以及在高速調制狀態下的發光特性是提升新型可見光通信系統性能的關鍵問題之一，LED器件調制特性的提升可以顯著拓展可見光通信系統的應用范圍。基于LED器件的調頻特性，通過分析發光器件和封裝的結構及其他關鍵光電性能，提出建議：通過降低RC時間以及載流子自發輻射壽命，有效改善LED器件的響應速率，提高LED的調制帶寬。

　　1 LED器件的調制帶寬及其測試

　　帶寬一般指信號所占據的頻帶寬度。當描述信道時，帶寬指能夠有效通過該信道信號的最大頻帶寬度。發光二極管（LED）的調制帶寬則是器件在加載調制信號時，能承載信號最大的頻帶寬度，一般定義為LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值得一半時（如-3 dB）的頻率定為LED的調制帶寬。LED的調制帶寬是可見光通信系統信道容量和傳輸速率的決定性因素，受到器件實際的調制深度、伏安特性等因素的多方面影響。

　　LED器件調制帶寬的測試，通常都是對直流工作下的器件加載模擬信號（如正弦信號），測量光功率信號隨頻率變化的曲線，來確定帶寬。

　　圖1給出了一種器件調制特性測試系統［1-3］。它主要包括信號發射端和接收端。在發射端，信號發生器發出的信號被功率放大器放大，以提高其調制深度;隨后，信號加載到驅動LED的直流偏置上，使得LED發出調制光信號;在接收端，光電探測器將光信號轉換為電信號，經過濾波放大，輸出到示波器上。

　　圖1 器件調制特性測試系統組成

　　圖2 器件調制特性測試系統組成

　　圖2是另一種器件調制特性測試系統［4-5］。系統的核心是網絡分析儀，它將信號產生、探測以及處理的功能集成在一起，能夠實現更高頻率的測試。測量LED調制帶寬，主要關注網絡分析儀的S21參數，即網絡分析儀的端口2的輸入功率/端口1的輸出功率。

　　2 影響因素及改善方法

　　一般來說，影響LED調制特性的因素主要取決于以下兩個方面［6］：RC時間和載流子自發輻射壽命。LED的有源區是多量子阱結構，具有電荷限制作用，在響應過程中的上升下降時間稱為RC時間，主要受到結電容影響，對信號具有延遲作用;而器件有源區內載流子自發輻射壽命直接影響載流子從復合到光子逃逸出器件的時間。

　　2.1 降低RC時間

　　圖3所示為LED的小信號等效電路［7］。這個小信號等效電路，實際上和閾值電壓下的激光器的等效電路類似。因為在閾值電壓下，激光器器件工作在自發輻射狀態，受激發射過程還沒有開始，所以LED也使用該等效電路［8-11］。

　　圖3 LED 的小信號等效電路

　　其中，C是結電容，RD是結電阻，RS是等效串聯電阻，L為引線等引起的寄生電感。研究人員通過實驗測量及理論擬合，可以得到這些對應的關鍵參數 ［7-8］。這里得到的電容和幾何電容是一個量級的，電阻也和幾何電阻相近。因此通過器件的尺寸設計可以有效調整等效電路參數進而提高器件帶寬。

　　通過這種器件的尺寸設計來降低RC時間，從而改善LED調制帶寬，是較為直觀的一種方式。通過設計一組不同尺寸（結面積、p-GaN與結接觸面積不同）的LED器件，研究尺寸對LED帶寬的影響［4］。有源區面積越大的器件，在相同電流密度下，具有較小的調制帶寬。其原因主要是因為等效結電容更大，而且電容增大對帶寬的影響比電阻減小的效果更加顯著。這個結果和***成功大學的J.-W. Shi等人［6］的結果一致。圖4給出實驗器件A與B在不同驅動電流下的頻率響應曲線。A器件p-GaN與結接觸面積更大。

　　圖4 兩種不同尺寸器件在多個驅動電流下的頻率響應曲線

　　圖4還反映了不同電流對LED帶寬的影響，大電流下，載流子濃度增加，導致多量子阱內復合增強，載流子輻射復合壽命減小。

　　***清華大學的Chien-Lan Liao等人［12］利用摻鎵（Ga）的氧化鋅（ZnO）薄膜GZO，有效地降低了結電容。圖5顯示具有電流限制層的藍光LED結構示意圖。由于將p型的 GaN層刻出臺面，在p型上做電極，能減小有效電容。而且電極采用環形結構，利用橫向電阻大的GZO薄膜，實現對電流限制作用，使得電流主要在垂直方向傳輸，即GZO實現了與氧化銦錫（ITO）相反的功能，抑制了電流的擴展。因此，實際的結電容將會變小，從而實現LED調制帶寬的提高。通過這種環形電極設計，該器件的3 dB帶寬達到225 MHz。

　　圖5 采用GZO 作電流限制層的外延片結構

　　***中央大學的許晉瑋等人［13］通過串聯的方式也有效提高了LED調制速率，其出發點也是基于對RC時間的優化。假如N個相同的LED串聯，電阻值將線性增加R總=N·R，而電容值線性降低C總=C/N。這樣雖然RC時間沒有發生變化。但是，一般器件都要外接負載，那么實際RC就是（N·R+R0）·C/N，因此，就小于單個相同面積LED的RC（RC+N·R0C），從而可以有效提高調制帶寬。